Metamath Proof Explorer


Theorem pellqrex

Description: There is a nontrivial solution of a Pell equation in the first quadrant. (Contributed by Stefan O'Rear, 18-Sep-2014)

Ref Expression
Assertion pellqrex ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โ†’ โˆƒ ๐‘ฅ โˆˆ ( Pell1QR โ€˜ ๐ท ) 1 < ๐‘ฅ )

Proof

Step Hyp Ref Expression
1 eldifi โŠข ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โ†’ ๐ท โˆˆ โ„• )
2 eldifn โŠข ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โ†’ ยฌ ๐ท โˆˆ โ—ปNN )
3 1 anim1i โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โˆˆ โ„š ) โ†’ ( ๐ท โˆˆ โ„• โˆง ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โˆˆ โ„š ) )
4 fveq2 โŠข ( ๐‘Ž = ๐ท โ†’ ( โˆš โ€˜ ๐‘Ž ) = ( โˆš โ€˜ ๐ท ) )
5 4 eleq1d โŠข ( ๐‘Ž = ๐ท โ†’ ( ( โˆš โ€˜ ๐‘Ž ) โˆˆ โ„š โ†” ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โˆˆ โ„š ) )
6 df-squarenn โŠข โ—ปNN = { ๐‘Ž โˆˆ โ„• โˆฃ ( โˆš โ€˜ ๐‘Ž ) โˆˆ โ„š }
7 5 6 elrab2 โŠข ( ๐ท โˆˆ โ—ปNN โ†” ( ๐ท โˆˆ โ„• โˆง ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โˆˆ โ„š ) )
8 3 7 sylibr โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โˆˆ โ„š ) โ†’ ๐ท โˆˆ โ—ปNN )
9 2 8 mtand โŠข ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โ†’ ยฌ ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โˆˆ โ„š )
10 pellex โŠข ( ( ๐ท โˆˆ โ„• โˆง ยฌ ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โˆˆ โ„š ) โ†’ โˆƒ ๐‘ โˆˆ โ„• โˆƒ ๐‘‘ โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ โ†‘ 2 ) โˆ’ ( ๐ท ยท ( ๐‘‘ โ†‘ 2 ) ) ) = 1 )
11 1 9 10 syl2anc โŠข ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โ†’ โˆƒ ๐‘ โˆˆ โ„• โˆƒ ๐‘‘ โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ โ†‘ 2 ) โˆ’ ( ๐ท ยท ( ๐‘‘ โ†‘ 2 ) ) ) = 1 )
12 simpll โŠข ( ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โˆง ( ( ๐‘ โ†‘ 2 ) โˆ’ ( ๐ท ยท ( ๐‘‘ โ†‘ 2 ) ) ) = 1 ) โ†’ ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) )
13 nnnn0 โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„•0 )
14 13 adantr โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„•0 )
15 14 ad2antlr โŠข ( ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โˆง ( ( ๐‘ โ†‘ 2 ) โˆ’ ( ๐ท ยท ( ๐‘‘ โ†‘ 2 ) ) ) = 1 ) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„•0 )
16 nnnn0 โŠข ( ๐‘‘ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘‘ โˆˆ โ„•0 )
17 16 adantl โŠข ( ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) โ†’ ๐‘‘ โˆˆ โ„•0 )
18 17 ad2antlr โŠข ( ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โˆง ( ( ๐‘ โ†‘ 2 ) โˆ’ ( ๐ท ยท ( ๐‘‘ โ†‘ 2 ) ) ) = 1 ) โ†’ ๐‘‘ โˆˆ โ„•0 )
19 simpr โŠข ( ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โˆง ( ( ๐‘ โ†‘ 2 ) โˆ’ ( ๐ท ยท ( ๐‘‘ โ†‘ 2 ) ) ) = 1 ) โ†’ ( ( ๐‘ โ†‘ 2 ) โˆ’ ( ๐ท ยท ( ๐‘‘ โ†‘ 2 ) ) ) = 1 )
20 pellqrexplicit โŠข ( ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ๐‘ โˆˆ โ„•0 โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„•0 ) โˆง ( ( ๐‘ โ†‘ 2 ) โˆ’ ( ๐ท ยท ( ๐‘‘ โ†‘ 2 ) ) ) = 1 ) โ†’ ( ๐‘ + ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) ยท ๐‘‘ ) ) โˆˆ ( Pell1QR โ€˜ ๐ท ) )
21 12 15 18 19 20 syl31anc โŠข ( ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โˆง ( ( ๐‘ โ†‘ 2 ) โˆ’ ( ๐ท ยท ( ๐‘‘ โ†‘ 2 ) ) ) = 1 ) โ†’ ( ๐‘ + ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) ยท ๐‘‘ ) ) โˆˆ ( Pell1QR โ€˜ ๐ท ) )
22 1re โŠข 1 โˆˆ โ„
23 22 a1i โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ 1 โˆˆ โ„ )
24 22 22 readdcli โŠข ( 1 + 1 ) โˆˆ โ„
25 24 a1i โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( 1 + 1 ) โˆˆ โ„ )
26 nnre โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„ )
27 26 ad2antrl โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ๐‘ โˆˆ โ„ )
28 1 adantr โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ๐ท โˆˆ โ„• )
29 28 nnrpd โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ๐ท โˆˆ โ„+ )
30 29 rpsqrtcld โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โˆˆ โ„+ )
31 30 rpred โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โˆˆ โ„ )
32 nnre โŠข ( ๐‘‘ โˆˆ โ„• โ†’ ๐‘‘ โˆˆ โ„ )
33 32 ad2antll โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ๐‘‘ โˆˆ โ„ )
34 31 33 remulcld โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) ยท ๐‘‘ ) โˆˆ โ„ )
35 27 34 readdcld โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( ๐‘ + ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) ยท ๐‘‘ ) ) โˆˆ โ„ )
36 22 ltp1i โŠข 1 < ( 1 + 1 )
37 36 a1i โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ 1 < ( 1 + 1 ) )
38 nnge1 โŠข ( ๐‘ โˆˆ โ„• โ†’ 1 โ‰ค ๐‘ )
39 38 ad2antrl โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ 1 โ‰ค ๐‘ )
40 1t1e1 โŠข ( 1 ยท 1 ) = 1
41 nnge1 โŠข ( ๐ท โˆˆ โ„• โ†’ 1 โ‰ค ๐ท )
42 sq1 โŠข ( 1 โ†‘ 2 ) = 1
43 42 a1i โŠข ( ๐ท โˆˆ โ„• โ†’ ( 1 โ†‘ 2 ) = 1 )
44 nncn โŠข ( ๐ท โˆˆ โ„• โ†’ ๐ท โˆˆ โ„‚ )
45 44 sqsqrtd โŠข ( ๐ท โˆˆ โ„• โ†’ ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โ†‘ 2 ) = ๐ท )
46 41 43 45 3brtr4d โŠข ( ๐ท โˆˆ โ„• โ†’ ( 1 โ†‘ 2 ) โ‰ค ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โ†‘ 2 ) )
47 22 a1i โŠข ( ๐ท โˆˆ โ„• โ†’ 1 โˆˆ โ„ )
48 nnrp โŠข ( ๐ท โˆˆ โ„• โ†’ ๐ท โˆˆ โ„+ )
49 48 rpsqrtcld โŠข ( ๐ท โˆˆ โ„• โ†’ ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โˆˆ โ„+ )
50 49 rpred โŠข ( ๐ท โˆˆ โ„• โ†’ ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โˆˆ โ„ )
51 0le1 โŠข 0 โ‰ค 1
52 51 a1i โŠข ( ๐ท โˆˆ โ„• โ†’ 0 โ‰ค 1 )
53 49 rpge0d โŠข ( ๐ท โˆˆ โ„• โ†’ 0 โ‰ค ( โˆš โ€˜ ๐ท ) )
54 47 50 52 53 le2sqd โŠข ( ๐ท โˆˆ โ„• โ†’ ( 1 โ‰ค ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โ†” ( 1 โ†‘ 2 ) โ‰ค ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โ†‘ 2 ) ) )
55 46 54 mpbird โŠข ( ๐ท โˆˆ โ„• โ†’ 1 โ‰ค ( โˆš โ€˜ ๐ท ) )
56 28 55 syl โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ 1 โ‰ค ( โˆš โ€˜ ๐ท ) )
57 nnge1 โŠข ( ๐‘‘ โˆˆ โ„• โ†’ 1 โ‰ค ๐‘‘ )
58 57 ad2antll โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ 1 โ‰ค ๐‘‘ )
59 23 51 jctir โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( 1 โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค 1 ) )
60 lemul12a โŠข ( ( ( ( 1 โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค 1 ) โˆง ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โˆˆ โ„ ) โˆง ( ( 1 โˆˆ โ„ โˆง 0 โ‰ค 1 ) โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„ ) ) โ†’ ( ( 1 โ‰ค ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โˆง 1 โ‰ค ๐‘‘ ) โ†’ ( 1 ยท 1 ) โ‰ค ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) ยท ๐‘‘ ) ) )
61 59 31 59 33 60 syl22anc โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( ( 1 โ‰ค ( โˆš โ€˜ ๐ท ) โˆง 1 โ‰ค ๐‘‘ ) โ†’ ( 1 ยท 1 ) โ‰ค ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) ยท ๐‘‘ ) ) )
62 56 58 61 mp2and โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( 1 ยท 1 ) โ‰ค ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) ยท ๐‘‘ ) )
63 40 62 eqbrtrrid โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ 1 โ‰ค ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) ยท ๐‘‘ ) )
64 23 23 27 34 39 63 le2addd โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( 1 + 1 ) โ‰ค ( ๐‘ + ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) ยท ๐‘‘ ) ) )
65 23 25 35 37 64 ltletrd โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ 1 < ( ๐‘ + ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) ยท ๐‘‘ ) ) )
66 65 adantr โŠข ( ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โˆง ( ( ๐‘ โ†‘ 2 ) โˆ’ ( ๐ท ยท ( ๐‘‘ โ†‘ 2 ) ) ) = 1 ) โ†’ 1 < ( ๐‘ + ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) ยท ๐‘‘ ) ) )
67 breq2 โŠข ( ๐‘ฅ = ( ๐‘ + ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) ยท ๐‘‘ ) ) โ†’ ( 1 < ๐‘ฅ โ†” 1 < ( ๐‘ + ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) ยท ๐‘‘ ) ) ) )
68 67 rspcev โŠข ( ( ( ๐‘ + ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) ยท ๐‘‘ ) ) โˆˆ ( Pell1QR โ€˜ ๐ท ) โˆง 1 < ( ๐‘ + ( ( โˆš โ€˜ ๐ท ) ยท ๐‘‘ ) ) ) โ†’ โˆƒ ๐‘ฅ โˆˆ ( Pell1QR โ€˜ ๐ท ) 1 < ๐‘ฅ )
69 21 66 68 syl2anc โŠข ( ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โˆง ( ( ๐‘ โ†‘ 2 ) โˆ’ ( ๐ท ยท ( ๐‘‘ โ†‘ 2 ) ) ) = 1 ) โ†’ โˆƒ ๐‘ฅ โˆˆ ( Pell1QR โ€˜ ๐ท ) 1 < ๐‘ฅ )
70 69 ex โŠข ( ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โˆง ( ๐‘ โˆˆ โ„• โˆง ๐‘‘ โˆˆ โ„• ) ) โ†’ ( ( ( ๐‘ โ†‘ 2 ) โˆ’ ( ๐ท ยท ( ๐‘‘ โ†‘ 2 ) ) ) = 1 โ†’ โˆƒ ๐‘ฅ โˆˆ ( Pell1QR โ€˜ ๐ท ) 1 < ๐‘ฅ ) )
71 70 rexlimdvva โŠข ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โ†’ ( โˆƒ ๐‘ โˆˆ โ„• โˆƒ ๐‘‘ โˆˆ โ„• ( ( ๐‘ โ†‘ 2 ) โˆ’ ( ๐ท ยท ( ๐‘‘ โ†‘ 2 ) ) ) = 1 โ†’ โˆƒ ๐‘ฅ โˆˆ ( Pell1QR โ€˜ ๐ท ) 1 < ๐‘ฅ ) )
72 11 71 mpd โŠข ( ๐ท โˆˆ ( โ„• โˆ– โ—ปNN ) โ†’ โˆƒ ๐‘ฅ โˆˆ ( Pell1QR โ€˜ ๐ท ) 1 < ๐‘ฅ )